内陆微咸水区水文地球化学作用试验研究

摘要

鲁北地区原生水文地质环境恶劣，淡水资源匮乏，浅部广泛分布TDS＞2g·L-1的微咸水/咸水，其下部深层地下淡水已成为主要的供水来源。然而，随着工、农业生产用水及生活用水对淡水资源需求量的增加，深层淡水资源已严重超采。淡水资源的过度开采，引起了地下水咸化，已成为重大水文地质环境问题，进一步加剧了水资源供需矛盾。如何改良、科学合理的利用潜在的资源—咸水，已成为当务之急。
　　本文以内陆地区济阳县典型咸水区为研究对象，对该区水文地质条件、含水介质物理化学性质、地下水离子组分特征进行系统分析的基础上，采用浅层地下含水介质-粉土、浅层地下水-咸水、当地降水-雨水为试验材料，通过室内易溶盐试验、咸水-雨水混合试验，水-岩混合作用试验，雨水-咸水驱替试验，探讨内陆浅层地下咸水水文地球化学作用。主要研究咸雨水驱替过程中，地下水离子组分的变化特征，地下水与含水介质间的离子交换吸附作用规律、矿物溶解/沉淀作用规律及水文地球化学作用与含水介质参数变异的内在联系。为内陆微咸水区水资源开发利用、管理评价、污染防治工作提供科学的理论依据。
　　本文通过室内试验得出了以下新的结论和见解:
　　(1)易溶盐试验研究表明:内陆咸水区易溶盐主成分离子主要表现为阳离子以Na+、Mg2+为主，阴离子Cl-、SO42-占优势;含水介质中交换性钠离子含量高，且富含大量的NaCl、Na2SO4等可溶性盐类;地下水电导率及含水介质的含盐量则表现为随着深度的增加呈升高趋势;粘土具有滤盐作用。
　　(2)咸水-雨水混合试验表明:封闭条件下，咸水与雨水混合并非是简单的机械混合过程。络合作用改变着地下水中离子组分含量。
　　(3)水岩作用试验表明:封闭条件下，不同咸水-雨水混合比的水岩作用混合液中，矿物的溶解/沉淀及离子交换吸附规律存在差异，表现为水与岩盐、石膏处于溶解状态，而水与方解石、白云石处于沉淀状态。当咸水混入量为20％以上，阳离子交换以Mg-Na交换反应为主，Ca-Na次之，此外，含水介质对SO42-吸附量最大，对Cl-影响作用较小。
　　(4)雨水-咸水驱替试验表明:雨水驱替咸水过程，电导率呈现“反S型”变化趋势，介质对驱替液离子组分的“膜效应”显著。当渗出液电导率小于6.22ms/cm时，水与石膏处于溶解状态，当渗出液电导率大于或等于6.22ms/cm时，水与石膏处于平衡状态;当渗出液电导率大于1ms/cm，水与方解石处于沉淀状态。当渗出液离子强度介于0.20～0.25mol/L时，阳离子交换作用以Mg/Ca-Na交换为主，介质对阴离子吸附作用显著。当渗出液电导率大于12ms/cm时，中Ca2+、Mg2+与地层中Na+发生了阳离子交换作用，当渗出液电导率大于14.1ms/cm时，Mg2+/Ca2+离子交换吸附作用增强，当渗出液电导率大于9.34ms/cm时，粘土矿物对SO42-吸附作用最为显著。
　　(5)雨水驱替咸水饱和柱过程，含水介质渗透性整体呈现下降趋势。渗透系数由初始的6.49×10-4cm/s，下降至2.28×10-4cm/s，并维持相对稳定。咸水再次驱替饱和雨水土柱后，含水介质孔隙度由初始的43.02％，最终下降至38.73％，含水介质渗透性变化具有不可逆性。雨水驱替咸水过程中，粘粒释放及膨胀、水化学作用、驱替液的粘滞性是影响含水介质渗透性变异的主要贡献因子，但不同阶段其影响因素存在差异。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 课题来源

1．2 研究目的及意义

1．3 国内外研究现状

1．3．1 水文地球化学作用

1．3．2 存在的问题

1．3．3 研究的内容概要及方案设计

第二章 供试材料与性质测定

2．1 材料选取

2．2 测定方法

2．3 材料性质

2．3．1 供试水样

2．3．2 供试土样理化性质

2．3．3 含水介质中粘土矿物的组分和性质分析

第三章 咸淡水交界带混合作用试验研究

3．1 易溶盐试验研究

3．1．1 试验设计方案

3．1．2 岩性对咸水的影响

3．2 咸雨水混合过程试验研究

3．2．1 试验设计方案

3．2．2 络合组分分析

3．3 水岩作用过程试验研究

3．3．1 试验设计方案

3．3．2 盐度对水文地球化学作用的影响

3．3．3 水岩间矿物溶解／沉淀作用

3．3．4 水岩间离子交换吸附

3．4 驱替过程试验研究

3．4．1 试验设计方案

3．4．2 驱替过程中阳离子交换作用

3．4．3 驱替过程中矿物溶解／沉淀作用

3．4．4 驱替过程中水化学成分形成过程分析

3．5 本章小结

第四章 驱替过程中水文地质参数变异机制

4．1 含水介质渗透系数

4．1．1 起始水力坡度揭示地下水运动特征

4．1．2 渗透系数阶段性变化分析

4．1．3 渗透性的变异性分析

4．2 含水介质孔隙度分析

4．3 本章小结

第五章 结论与展望

5．1 结论

5．2 展望

参考文献

致谢

附录